一、QFN封裝PCB設(shè)計(jì)基本介紹
QFN(Quad Flat No Lead)是一種相對(duì)比較新的IC封裝形式,但由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其應(yīng)用得到了快速的增長(zhǎng)。QFN是一種無(wú)引腳封裝,它有利于降低引腳間的自感應(yīng)系數(shù),在高頻領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯。QFN外觀呈正方形或矩形,大小接近于CSP,所以很薄很輕。元件底部具有與底面水平的焊端,在中央有一個(gè)大面積裸露焊端用來(lái)導(dǎo)熱,圍繞大焊端的外圍四周有實(shí)現(xiàn)電氣連接的I/O焊端,I/O焊端有兩種類型:一種只裸露出元件底部的一面,其它部分被封裝在元件內(nèi);另一種焊端有裸露在元件側(cè)面的部分。
QFN采用周邊引腳方式使PCB布線更靈活,中央裸露的銅焊端提供了良好的導(dǎo)熱性能和電性能。這些特點(diǎn)使QFN在某些對(duì)體積、重量、熱性能、電性能要求高的電子產(chǎn)品中得到了重用。
由于QFN是一種較新的IC封裝形式,IPC-SM-782等
PCB設(shè)計(jì)指南上都未包含相關(guān)內(nèi)容,本文可以幫助指導(dǎo)用戶進(jìn)行QFN的焊盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)。但需要說(shuō)明的是本文只是提供一些基本知識(shí)供參考,用戶需要在實(shí)際生產(chǎn)中不斷積累經(jīng)驗(yàn),優(yōu)化焊盤設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)方案,以取得令人滿意的焊接效果。
二、QFN封裝描述
QFN的外形尺寸可參考其產(chǎn)品手冊(cè),它符合一般工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。QFN通常采用JEDEC MO-220系列標(biāo)準(zhǔn)外形,在焊盤設(shè)計(jì)時(shí)可以參考這些外形尺寸(示例如圖1)。
圖1 QFN元件三維剖視圖和實(shí)物外觀
三、QFN通用PCB設(shè)計(jì)指南
QFN的中央裸焊端和周邊I/O焊端組成了平坦的銅引線結(jié)構(gòu)框架,再用模鑄樹(shù)脂將其澆鑄在樹(shù)脂里固定,底面露出的中央裸焊端和周邊I/O焊端,均須焊接到PCB上。
PCB焊盤設(shè)計(jì)應(yīng)該適應(yīng)工廠的實(shí)際工藝能力,以求取得最大的工藝窗口,得到良好的高可靠性焊點(diǎn)。需要說(shuō)明的是中央裸焊端的焊接,通過(guò)“錨”定元件,不僅可以獲得良好的散熱效果,還可以增強(qiáng)元件的機(jī)械強(qiáng)度,有利于提高周邊I/O焊端的焊點(diǎn)可靠性。針對(duì)QFN中央裸焊端而設(shè)計(jì)的PCB散熱焊盤,應(yīng)設(shè)計(jì)導(dǎo)熱過(guò)孔連接到PCB內(nèi)層隱藏的金屬層。這種通過(guò)過(guò)孔的垂直散熱設(shè)計(jì),可以使QFN獲得完美的散熱效果。
四、QFN焊盤設(shè)計(jì)指南
1、周邊I/O焊盤
PCB I/O焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)比QFN的I/O焊端稍大一點(diǎn),焊盤內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)計(jì)成圓形以配合焊端的形狀,詳細(xì)請(qǐng)參考圖2和表1。
圖2 典型的QFN元件焊端和PCB 焊盤外觀圖
典型的QFN元件I/O焊端尺寸(mm) |
典型的PCB I/O焊盤設(shè)計(jì)指南(mm) |
焊盤間距 |
焊盤寬度(b) |
焊盤長(zhǎng)度(L) |
焊盤寬度(X) |
外延(Tout) |
內(nèi)延(Tin) |
0.8 |
0.33 |
0.6 |
正常0.42 |
最小0.15 |
最小0.05 |
0.65 |
0.28 |
0.6 |
正常0.37 |
最小0.15 |
最小0.05 |
0.5 |
0.23 |
0.6 |
正常0.28 |
最小0.15 |
最小0.05 |
0.5 |
0.23 |
0.4 |
正常0.28 |
最小0.15 |
最小0.05 |
0.4 |
0.2 |
0.6 |
正常0.25 |
最小0.15 |
最小0.05 |
表1 I/O焊盤設(shè)計(jì)指南
如果PCB有設(shè)計(jì)空間, I/O焊盤的外延長(zhǎng)度(Tout)大于0.15mm,可以明顯改善外側(cè)焊點(diǎn)形成,如果內(nèi)延長(zhǎng)度(Tin)大于0.05mm,則必須考慮與中央散熱焊盤之間保留足夠的間隙,以免引起橋連。
2、中央散熱焊盤
中央散熱焊盤應(yīng)設(shè)計(jì)比QFN中央裸焊端各邊大0-0.15mm,即總的邊長(zhǎng)大出0-0.3mm,但是中央散熱焊盤不能過(guò)分的大,否則,會(huì)影響與I/O焊盤之間的合理間隙,使橋連概率增加。此間隙最小為0.15mm,可能的話,最好是0.25mm或更大。
3、散熱過(guò)孔
散熱過(guò)孔應(yīng)按1.0mm-1.2mm的間隙均勻分布在中央散熱焊盤上,過(guò)孔應(yīng)連通到PCB內(nèi)層的金屬接地層上,過(guò)孔直徑推薦為0.3mm-0.33mm。
雖然增加過(guò)孔(減小過(guò)孔間隙),表面上看好象可以改善熱性能,但因?yàn)樵黾舆^(guò)孔的同時(shí)也增加了熱氣回來(lái)的通道,所以實(shí)際效果不確定,需要根據(jù)實(shí)際PCB的情況來(lái)決定(如PCB散熱焊盤尺寸、接地層)。
4、阻焊層設(shè)計(jì)
目前有兩種阻焊層設(shè)計(jì)類型:SMD(Solder Mask Defined)和NSMD(Non-Solder Mask Defined)。SMD:阻焊層開(kāi)口小于金屬焊盤;NSMD:阻焊層開(kāi)口大于金屬焊盤。
由于在銅腐蝕工藝中更易控制,所以NSMD工藝更優(yōu)選。而且SMD工藝會(huì)使焊盤阻焊層與金屬層重疊區(qū)域壓力集中,在極端疲勞條件下容易使焊點(diǎn)開(kāi)裂。采用NSMD工藝則使焊錫圍繞在金屬焊盤邊緣,可以明顯改善焊點(diǎn)的可靠性。
由于以上原因,在中央散熱焊盤和周邊I/O焊盤的阻焊層設(shè)計(jì)中一般都推薦采用NSMD工藝。但是,在尺寸相對(duì)比較大的中央散熱焊盤阻焊層設(shè)計(jì)中應(yīng)該采用SMD工藝。
在采用NSMD工藝時(shí),阻焊層開(kāi)口應(yīng)比焊盤大120um-150um,即在阻焊層與金屬焊盤之間留有60um-75um的間隙,弧形焊盤應(yīng)設(shè)計(jì)相應(yīng)的弧形阻焊層開(kāi)口與之匹配,特別是在拐角處應(yīng)有足夠的阻焊層以阻止橋連。
每個(gè)I/O焊盤應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)阻焊層開(kāi)口,這樣可以使I/O相鄰焊盤之間布滿阻焊層,阻止相鄰焊盤之間形成橋連。但是,針對(duì)I/O焊盤寬度為0.25mm,間距只有0.4mm的細(xì)間距QFN,只能將處于一邊的所有I/O焊盤統(tǒng)一設(shè)計(jì)一個(gè)大的開(kāi)口,這樣I/O相鄰焊盤之間就沒(méi)有了阻焊層。
I/O焊盤之間有阻焊層 I/O焊盤之間無(wú)阻焊層
有些QFN的中央裸焊端設(shè)計(jì)過(guò)大,使得與周邊I/O焊端之間的間隙很小,很容易引起橋連。在這種情況下,PCB散熱焊盤的阻焊層設(shè)計(jì)應(yīng)采用SMD工藝,即阻焊層開(kāi)口應(yīng)每邊縮小100um,以增加中央散熱焊盤與I/O焊盤之間的阻焊層面積。
阻焊層應(yīng)覆蓋散熱焊盤上的過(guò)孔,以防止焊錫從散熱過(guò)孔中流失,使QFN中央裸焊端與PCB中央散熱焊盤之間形成空焊。過(guò)孔阻焊層的直徑應(yīng)比過(guò)孔直徑大100um,建議在PCB背面涂布阻焊油堵塞過(guò)孔,這樣可以在正面散熱焊盤上會(huì)形成許多空洞,這些空洞有利于在回流焊接過(guò)程中釋放氣體,并圍繞過(guò)孔形成更大的氣泡,需要特別說(shuō)明的是,這些氣泡的存在不會(huì)影響熱性能、電性能和焊點(diǎn)可靠性,是可以接受的。
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